JP5553020B2 - 水性ポリウレタン樹脂分散体及びその製造方法 - Google Patents
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Description
(1)ウレタン結合を有しないポリカーボネートポリオール(a1)と、酸性基含有ポリオール化合物(b)と、ポリイソシアネート(c)とを反応させて得られるポリウレタンプレポリマー(A)と、
前記ポリウレタンプレポリマー(A)のイソシアネート基と反応性を有する鎖延長剤(B)とを反応させて得られる水性ポリウレタン樹脂が、水系媒体中に分散されている水性ポリウレタン樹脂分散体であって、
前記ポリカーボネートポリオール(a1)は、数平均分子量が400〜5000であり、1分子中に、平均2.05〜5個の水酸基を有することを特徴とする水性ポリウレタン樹脂分散体;
(2)ポリウレタンプレポリマー(A)が、ウレタン結合を有しないポリカーボネートポリオール(a1)と、ポリカーボネートジオール(a’)と、酸性基含有ポリオール化合物(b)と、ポリイソシアネート(c)とを反応させて得られ、ここで、前記ポリカーボネートポリオール(a1)は、数平均分子量が400〜5000であり、1分子中に、平均2.05〜5個の水酸基を有することを特徴とする、(1)に記載の水性ポリウレタン樹脂分散体;
(3)ポリカーボネートポリオール(a1)が、ジオール化合物と、トリオール化合物、テトラオール化合物及びペンタオール化合物から選択した1種以上のポリオール化合物と、炭酸エステル化合物とを反応させて得られたものである、(1)又は(2)に記載の水性ポリウレタン樹脂分散体;
(4)ポリカーボネートポリオール(a1)が、ポリカーボネートジオールと、トリオール化合物、テトラオール化合物及びペンタオール化合物から選択した1種以上のポリオール化合物とをエステル交換反応させて得られたものである、(1)又は(2)に記載の水性ポリウレタン樹脂分散体;
(5)ウレタン結合を有さないポリカーボネートポリオール(a2)と、ポリイソシアネート(c)とを反応させて得られるポリウレタンプレポリマー(A)と、
前記ポリウレタンプレポリマー(A)のイソシアネート基と反応性を有する鎖延長剤(B)とを反応させて得られる水性ポリウレタン樹脂が、水系媒体中に分散されている水性ポリウレタン樹脂分散体であって、
前記ポリカーボネートポリオール(a2)は、数平均分子量が600〜5000であり、1分子中に、平均2.05〜5個の水酸基を有し、かつ、酸性基を有することを特徴とする水性ポリウレタン樹脂分散体;
(6)ポリウレタンプレポリマー(A)が、ウレタン結合を有さないポリカーボネートポリオール(a2)と、ポリカーボネートジオール(a’)と、ポリイソシアネート(c)とを反応させて得られ、ここで、前記ポリカーボネートポリオール(a2)は、数平均分子量が600〜5000であり、1分子中に、平均2.05〜5個の水酸基を有し、かつ、酸性基を有することを特徴とする(5)に記載の水性ポリウレタン樹脂分散体;
(7)ポリカーボネートポリオール(a2)が、ポリカーボネートジオールと酸性基含有ポリオール化合物(b)とを反応させて得られた酸性基含有ポリカーボネートジオールと、トリオール化合物、テトラオール化合物及びペンタオール化合物から選択した1種以上のポリオール化合物とをエステル交換反応させて得られたものである、(5)又は(6)に記載の水性ポリウレタン樹脂分散体;
(8)ウレタン結合を有しないポリカーボネートポリオール(a1)と、酸性基含有ポリオール化合物(b)と、ポリイソシアネート(c)とを反応させてポリウレタンプレポリマー(A)を得る工程(α1)と、
前記ポリウレタンプレポリマー(A)の酸性基を中和する工程(β)と、
前記ポリウレタンプレポリマー(A)を水系媒体中に分散させる工程(γ)と、
前記ポリウレタンプレポリマー(A)と、前記ポリウレタンプレポリマー(A)のイソシアネート基と反応性を有する鎖延長剤(B)とを反応させて水性ポリウレタン樹脂を得る工程(δ)とを含む水性ポリウレタン樹脂分散体の製造方法であって、
前記ポリカーボネートポリオール(a1)は、数平均分子量が400〜5000であり、1分子中に、平均2.05〜5個の水酸基を有することを特徴とする水性ポリウレタン樹脂分散体の製造方法;
(9)ポリウレタンプレポリマー(A)を得る工程(α1)が、ウレタン結合を有しないポリカーボネートポリオール(a1)と、ポリカーボネートジオール(a’)と、酸性基含有ポリオール化合物(b)と、ポリイソシアネート(c)とを反応させてポリウレタンプレポリマー(A)を得る工程であり、ここで、前記ポリカーボネートポリオール(a1)は、数平均分子量が400〜5000であり、1分子中に、平均2.05〜5個の水酸基を有することを特徴とする(8)に記載の水性ポリウレタン樹脂分散体の製造方法;
(10)ウレタン結合を有しないポリカーボネートポリオール(a2)と、ポリイソシアネート(c)とを反応させてポリウレタンプレポリマー(A)を得る工程(α2)と、
前記ポリウレタンプレポリマー(A)の酸性基を中和する工程(β)と、
前記ポリウレタンプレポリマー(A)を水系媒体中に分散させる工程(γ)と、
前記ポリウレタンプレポリマー(A)と、前記ポリウレタンプレポリマー(A)のイソシアネート基と反応性を有する鎖延長剤(B)とを反応させて水性ポリウレタン樹脂を得る工程(δ)とを含む水性ポリウレタン樹脂分散体の製造方法であって、
前記ポリカーボネートポリオール(a2)は、数平均分子量が600〜5000であり、1分子中に、平均2.05〜5個の水酸基を有し、かつ、酸性基を有することを特徴とする水性ポリウレタン樹脂分散体の製造方法;
(12)ポリウレタンプレポリマー(A)を得る工程(α2)が、ウレタン結合を有しないポリカーボネートポリオール(a2)と、ポリカーボネートジオール(a’)と、ポリイソシアネート(c)とを反応させてポリウレタンプレポリマー(A)を得る工程であり、ここで、前記ポリカーボネートポリオール(a2)は、数平均分子量が600〜5000であり、1分子中に、平均2.05〜5個の水酸基を有し、かつ、酸性基を有することを特徴とする、(10)に記載の水性ポリウレタン樹脂分散体の製造方法;
(12)工程(β)と工程(γ)とを同時に行う、(8)〜(11)のいずれか1項に記載の水性ポリウレタン樹脂分散体の製造方法;
(13)工程(γ)と工程(δ)とを同時に行う、(8)〜(11)のいずれか1項に記載の水性ポリウレタン樹脂分散体の製造方法;及び
(14)(1)〜(7)のいずれか1項に記載の水性ポリウレタン樹脂分散体を含有する塗料組成物。
本発明で使用できるポリカーボネートポリオール(a1)は、数平均分子量が400〜5000である。前記分子量が400未満であると、ソフトセグメントとしての性能に劣り、塗膜を形成した場合に割れが発生し易い。前記分子量が5000を超えると、ポリカーボネートポリオール(a1)とイソシアネート化合物(c)との反応性が低下し、ウレタンプレポリマーの製造工程に時間がかかったり、反応が充分に進行しないという問題や、ポリカーボネートポリオールの粘度が高くなり、取り扱いが困難になるという問題がある。ポリカーボネートポリオール(a1)の好ましい数平均分子量は、500〜3500であり、特に好ましくは600〜2500であり、最も好ましくは700〜1900(ポリカーボネートジオール(a’)を使用しない場合)又は900〜2000(ポリカーボネートジオール(a’)を使用する場合)である。なお、本発明において、数平均分子量は、水酸基価及び1H-NMR若しくはアルカリ加水分解後のガスクロマトグラフィーによる組成物の定量値から算出した数平均分子量である。
本発明で使用できるポリカーボネートポリオール(a2)は、平均分子量が600〜5000である。前記分子量が600未満であると、ソフトセグメントとしての性能に劣り、塗膜を形成した場合に割れが発生し易い。前記分子量が5000を超えると、ポリカーボネートポリオール(a2)とイソシアネート化合物(c)との反応性が低下し、ウレタンプレポリマーの製造工程に時間がかかったり、反応が充分に進行しないという問題や、ポリカーボネートポリオールの粘度が高くなり、取り扱いが困難になる等の問題がある。ポリカーボネートポリオール(a2)の好ましい数平均分子量は、ポリカーボネートジオール(a’)を使用しない場合は、700〜3500であり、特に好ましくは900〜2000であり、ポリカーボネートジオール(a’)を使用する場合は、700〜3500であり、特に好ましくは、900〜3000であり、最も好ましくは1000〜2000である。
前記ポリカーボネートジオール(a’)は、ジオール化合物と炭酸エステルとを反応させて得ることができる。ポリカーボネートジオール(a’)は、実質的にウレタン結合及び酸性基を含有しない。ジオール化合物及び炭酸エステル化合物としては、ポリカーボネートポリオール(a1)で記載したものが使用できる。ポリカーボネートジオール(a’)の数平均分子量は、好ましくは500〜5000、特に好ましくは900〜3000である。ポリカーボネートジオール(a’)の数平均分子量が小さすぎると結果としてウレタン結合が多くなるため、水性ポリウレタン樹脂分散体の分散性が悪くなる傾向があり、またポリカーボネートジオール(a’)の数平均分子量が大きすぎると塗膜の強度が低くなる傾向がある。
前記酸性基含有ポリオール化合物(b)は、好ましくは一分子中に2個の水酸基を有し、その酸性基としては、特に制限されないが、カルボキシ基、スルホニル基、リン酸基、フェノール性水酸基が挙げられる。中でも、入手の容易さやハンドリングの簡便さの観点から、カルボキシ基が好ましい。本発明で使用できる酸性基含有ポリオール化合物(b)としては、具体的には、2,2−ジメチロールプロピオン酸、2,2−ジメチロールブタン酸等のジメチロールアルカン酸;N,N−ビスヒドロキシエチルグリシン、N,N−ビスヒドロキシエチルアラニン、3,4−ジヒドロキシブタンスルホン酸、3,6−ジヒドロキシ−2−トルエンスルホン酸等が挙げられる。この中でも入手の容易さの観点から、ジメチロールアルカン酸が好ましく、2,2−ジメチロールプロピオン酸がさらに好ましい。
本発明で使用できるポリイソシアネート化合物(c)としては、特に制限されないが、具体的には1,3−フェニレンジイソシアネート、1,4−フェニレンジイソシアネート、2,4−トリレンジイソシアネート(TDI)、2,6−トリレンジイソシアネート、4,4’−ジフェニレンメタンジイソシアネート(MDI)、2,4−ジフェニルメタンジイソシアネート、4,4’−ジイソシアネトビフェニル、3,3’−ジメチル−4,4’−ジイソシアナトビフェニル、3,3’−ジメチル−4,4’−ジイソシアナトジフェニルメタン、1,5−ナフチレンジイソシアネート、4,4’,4’’−トリフェニルメタントリイソシアネート、m−イソシアナトフェニルスルホニルイソシアネート、p−イソシアナトフェニルスルホニルイソシアネート等の芳香族ポリイソシアネート化合物;エチレンジイソシアネート、テトラメチレンジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネート(HDI)、ドデカメチレンジイソシアネート、1,6,11−ウンデカントリイソシアネート、2,2,4−トリメチルヘキサメチレンジイソシアネート、リジンジイソシアネート、2,6−ジイソシアナトメチルカプロエート、ビス(2−イソシアナトエチル)フマレート、ビス(2−イソシアナトエチル)カーボネート、2−イソシアナトエチル−2,6−ジイソシアナトヘキサノエート等の脂肪族ポリイソシアネート化合物;イソホロンジイソシアネート(IPDI)、4,4’−ジシクロヘキシルメタンジイソシアネート(水素添加MDI)、シクロヘキシレンジイソシアネート、メチルシクロヘキシレンジイソシアネート(水素添加TDI)、ビス(2−イソシアナトエチル)−4−ジクロヘキセン−1,2−ジカルボキシレート、2,5−ノルボルナンジイソシアネート、2,6−ノルボルナンジイソシアネーネート等の脂環式ポリシアネート化合物などが挙げられる。これらのポリイソシアネート化合物は、1種を単独用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
本発明で使用できるポリウレタンプレポリマー(A)は、前記ポリカーボネートポリオール(a1)と前記酸性基含有ポリオール化合物(b)と前記ポリイソシアネート化合物(c)とを反応させて得られるもの、又は前記ポリカーボネートポリオール(a2)と前記ポリイソシアネート化合物(c)とを反応させて得られるものであり得る。
本発明における鎖延長剤(B)は、ポリウレタンプレポリマー(A)のイソシアネート基と反応性を有する。鎖延長剤として、例えば、エチレンジアミン、1,4−テトラメチレンジアミン、2−メチル−1,5−ペンタンジアミン、1,4−ブタンジアミン、1,6−ヘキサメチレンジアミン、1,4−ヘキサメチレンジアミン、3−アミノメチル−3,5,5−トリメチルシクロヘキシルアミン、1,3−ビス(アミノメチル)シクロヘキサン、キシリレンジアミン等のジアミン化合物;ピペラジン、2,5−ジメチルピペラジン、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン等のアミン化合物、エチレングリコール、プロピレングリコール、1,4−ブタンジオール、1,6−ヘキサンジオール等のジオール化合物、ポリエチレングリコールに代表されるポリアルキレングリコール類、水などが挙げられ、中でも好ましくは1級ジアミン化合物が挙げられる。これらは単独で使用してもよく、又、2種類以上を併用してもよい。
本発明における水性ポリウレタン樹脂は、ポリウレタンプレポリマー(A)と上記の鎖延長剤(B)を反応させて得ることができる。反応の温度は、0〜80℃、好ましくは0〜60℃である。
本発明においては、ポリウレタン樹脂は水に分散されている。ポリウレタン樹脂は水系媒体中に分散されている。前記水系媒体としては、水や水と親水性有機溶媒との混合媒体などが挙げられる。
前記水系媒体中の前記親水性有機溶媒の量としては、0〜20重量%が好ましい。
本発明の水性ポリウレタン樹脂分散体は、ポリウレタンプレポリマー(A)を得る工程(α)、ポリウレタンプレポリマー(A)の酸性基を中和する工程(β)、ポリウレタンプレポリマーを水系媒体中に分散させる工程(γ)、ポリウレタンプレポリマー(A)のイソシアネート基と鎖延長剤(B)とを反応させて水性ポリウレタン樹脂を得る工程(δ)により製造することができる。
本発明は、前記水性ポリウレタン樹脂分散体を含有する塗料組成物である。本発明の塗料においては、前記の水性ポリウレタン樹脂分散体を好ましくは5〜60重量%、より好ましくは10〜40重量%含む。
前記着色顔料としては、例えば、酸化チタン、亜鉛華、カーボンブラック、モリブデンレッド、プルシアンブルー、コバルトブルー、アゾ顔料、フタロシアニン顔料、キナクリドン顔料、イソインドリン顔料、スレン系顔料、ペリレン顔料等が挙げられる。これらは単独でまたは二種以上を併用して使用できる。特に、着色顔料として、酸化チタンおよび/またはカーボンブラックを使用することが好ましい。
[実施例1]
(ポリカーボネートポリオール(a1−1)の調製)
精留塔、攪拌機、温度計、窒素導入管を備えた500mlのガラス製丸底フラスコに、ジメチルカーボネート(宇部興産社製)91.2部、トリメチロールプロパン(三菱ガス化学社製)134.2部、炭酸カリウム0.1部を仕込み、常圧、攪拌下、メタノールとジメチルカーボネートの混合物を留去しながら、エステル交換反応を3時間行なった。この間、反応温度は85℃から110℃まで徐々に昇温させ、留出物の組成はメタノールとジメチルカーボネートの共沸組成ないしはその近傍となるように調節した。この後徐々に30mmHgまで減圧し、攪拌下、メタノールとジメチルカーボネートの混合物を留去しながら、120℃でエステル交換反応をさらに2時間行なった。反応終了後(メタノールとジメチルカーボネートの留去終了後)、反応液を室温まで冷却し、ポリカーボネートポリオールプレポリマーを得た。なおエステル交換反応は窒素気流中で行なった。得られたポリカーボネートポリオールプレポリマーは、数平均分子量が500であった。次に攪拌機、温度計、窒素導入管、コンデンサーを備えた1000mlのガラス製丸底フラスコに、得られたポリカーボネートポリオールプレポリマー15.0部、ポリカーボネートジオール(宇部興産社製、商品名:ETERNACOLL UH-200、1,6−ヘキサンジオールと炭酸エステルを原料とし数平均分子量2000、水酸基価56.1mgKOH/g)200部を仕込み、50mmHgの減圧下で攪拌し、反応温度125℃に到達後4時間125℃で反応を行なった。反応の途中でサンプリングを行ない、GPC測定よりエステル交換反応が平衡に至ったことを確認した。反応終了後、反応液を室温まで冷却し、酢酸エチル540部に溶解した。水100部を添加して30分攪拌したのち、分液により水層を除去した。この操作をさらにもう1回行なって酢酸エチル溶液を得た。この酢酸エチル溶液に硫酸マグネシウム50gを添加して30分攪拌した後ろ過して硫酸マグネシウムを除去し、その後酢酸エチルを蒸留留去して、トリメチロールプロパン含有ポリカーボネートポリオール(a1−1)を得た。得られたポリカーボネートポリオール(a1−1)は、数平均分子量が1650、平均水酸基数2.8であった。
攪拌機および加熱器を備えた反応装置に、上記のトリメチロールプロパン含有ポリカーボネートポリオール(平均分子量1650、平均水酸基数2.8)を48.0部、ジメチロールプロピオン酸(日本化成社製)を3.9部、メチルエチルケトン(以下「MEK」と記載することもある。)を26.1部、窒素ガスを導入しながら仕込んだ。その後60℃に加熱しジメチロールプロピオン酸が溶解したのを確認した。4,4−ジシクロヘキシルメタンジイソシアネート(住友バイエルウレタン社製、以下「水添MDI」と記載することもある。)を28.6部、触媒としてジブチル錫ジラウリレートを0.02部加え80℃まで加熱し、4時間かけてウレタン化反応を行い、更にMEK117.0部を加え90℃にて3時間加熱し、プレポリマーを製造した(工程α)。ウレタン化反応終了時のNCO基含有量は、2.3wt%であった。反応混合物を30℃に冷却後、トリエチルアミン2.9部を添加・混合して中和した(工程β)。更に水187.8部を加えて分散させた(工程γ)。ついで40wt%ヘキサメチレンジアミン水溶液14.0部を加え、室温で24時間にわたり鎖伸長反応を行った(工程δ)。生成物を減圧下に室温から50℃で3時間かけて加熱し、MEKを除去しポリウレタン樹脂分散体1を得た。
(ポリカーボネートポリオール(a1−2)の調整)
精留塔、攪拌機、温度計、窒素導入管を備えたガラス製丸底フラスコに、ジメチルカーボネート486.4部、トリメチロールプロパン5.4部、1,6−ヘキサンジオール468.0部、炭酸カリウム0.6部を仕込み、常圧、攪拌下、メタノールとジメチルカーボネートの混合物を留去しながら、エステル交換反応を3時間行なった。この間、反応温度は85℃から110℃まで徐々に昇温させ、留出物の組成はメタノールとジメチルカーボネートの共沸組成ないしはその近傍となるように調節した。この後徐々に30mmHgまで減圧し、攪拌下、メタノールとジメチルカーボネートの混合物を留去しながら、120℃でエステル交換反応をさらに2時間行なった。反応の途中でサンプリングを行ない、GPC測定よりエステル交換反応が平衡に至ったことを確認した。反応終了後、反応液を室温まで冷却し、酢酸エチルに溶解した。水を添加して攪拌したのち、分液により水層を除去した。この操作をさらにもう1回行なって酢酸エチル溶液を得た。この酢酸エチル溶液に硫酸マグネシウムを添加して攪拌した後ろ過して硫酸マグネシウムを除去し、その後酢酸エチルを蒸留留去してポリカーボネートポリオール(a1−2)を得た。得られたポリカーボネートポリオール(a1−2)は、数平均分子量が700、1分子中の平均水酸基数が2.1であった。
攪拌機および加熱器を備えた反応装置に、前記ポリカーボネートポリオール(a1−2)を20.3部、ジメチロールプロピオン酸を3.9部、MEKを17.6部、窒素を導入しながら仕込んだ。その後60℃に加熱しジメチロールプロピオン酸が溶解したのを確認した。水素添加MDIを28.6部、触媒としてジブチル錫ジラウリレートを0.02部加え80℃まで加熱し、4時間かけてウレタン化反応を行い、更にMEK76.3部を加え90℃にて3時間加熱し、プレポリマーを製造した(工程α)。ウレタン化反応終了時のNCO基含有量は、2.9wt%であった。反応混合物を30℃に冷却後、トリエチルアミン2.9部を添加・混合して中和した(工程β)。更に水123.2部を加えて分散させた(工程γ)。ついで40wt%ヘキサメチレンジアミン水溶液14.8部を加え、室温で24時間にわたり鎖伸長反応を行った(工程δ)。生成物を減圧下に室温から50℃で3時間かけて加熱し、MEKを除去し水性ポリウレタン樹脂分散体2を得た。
(ポリカーボネートポリオール(a1−3)の調整)
精留塔、攪拌機、温度計、窒素導入管を備えたガラス製丸底フラスコに、ジメチルカーボネート91.2部、トリメチロールプロパン134.2部、炭酸カリウム0.1部を仕込み、常圧、攪拌下、メタノールとジメチルカーボネートの混合物を留去しながら、エステル交換反応を3時間行なった。この間、反応温度は85℃から110℃まで徐々に昇温させ、留出物の組成はメタノールとジメチルカーボネートの共沸組成ないしはその近傍となるように調節した。この後徐々に30mmHgまで減圧し、攪拌下、メタノールとジメチルカーボネートの混合物を留去しながら、120℃でエステル交換反応をさらに2時間行なった。反応終了後(メタノールとジメチルカーボネートの留去終了後)、反応液を室温まで冷却し、ポリカーボネートポリオールプレポリマーを得た。得られたポリカーボネートポリオールプレポリマーは、数平均分子量が500であった。次に攪拌機、温度計、窒素導入管、コンデンサーを備えた1000mlのガラス製丸底フラスコに、得られたポリカーボネートポリオールプレポリマー25.0部、ポリカーボネートジオール(宇部興産株式会社製、商品名:「ETERNACOLL UH-100」、1,6−ヘキサンジオールと炭酸エステルを原料とし数平均分子量1000、水酸基価112.2mgKOH/g)100部を仕込み、50mmHgの減圧下で攪拌し、反応温度125℃に到達後4時間125℃で反応を行なった。反応の途中でサンプリングを行ない、GPC測定よりエステル交換反応が平衡に至ったことを確認した。反応終了後、反応液を室温まで冷却し、酢酸エチルに溶解した。水を添加して攪拌したのち、水層を除去した。この操作をさらにもう1回行なって酢酸エチル溶液を得た。この酢酸エチル溶液に硫酸マグネシウムを添加して攪拌した後ろ過して硫酸マグネシウムを除去し、その後酢酸エチルを蒸留留去してポリカーボネートポリオール(a1−3)を得た。得られたポリカーボネートポリオール(a1−3)は、数平均分子量が830、1分子中の平均水酸基数が2.1であった。
攪拌機および加熱器を備えた反応装置に、前記ポリカーボネートポリオール(a1−3)を24.1部、ジメチロールプロピオン酸を3.9部、MEKを18.9部、窒素を導入しながら仕込んだ。その後60℃に加熱しジメチロールプロピオン酸が溶解したのを確認した。水素添加MDIを28.6部、触媒としてジブチル錫ジラウリレートを0.02部加え80℃まで加熱し、4時間かけてウレタン化反応を行い、更にMEK86.2部を加え90℃にて3時間加熱し、プレポリマーを製造した(工程α)。ウレタン化反応終了時のNCO基含有量は、2.7wt%であった。反応混合物を30℃に冷却後、トリエチルアミン2.9部と水132.1部を同時に添加・混合して中和する工程(工程β)と、水に分散させる工程(工程γ)とを同時に行った。ついで40wt%ヘキサメチレンジアミン水溶液14.8部を加え、室温で24時間にわたり鎖伸長反応を行った(工程δ)。生成物を減圧下に室温から50℃で3時間かけて加熱し、MEKを除去し水性ポリウレタン樹脂分散体3を得た。
(ポリカーボネートポリオール(a1−4)の調整)
精留塔、攪拌機、温度計、窒素導入管を備えたガラス製丸底フラスコに、ジメチルカーボネート84.0部、ペンタエリスリトール136.2部、炭酸カリウム0.1部を仕込み、常圧、攪拌下、メタノールとジメチルカーボネートの混合物を留去しながら、エステル交換反応を1時間行なった。この間、反応温度は85℃から110℃まで徐々に昇温させ、留出物の組成はメタノールとジメチルカーボネートの共沸組成ないしはその近傍となるように調節した。この後徐々に30mmHgまで減圧し、攪拌下、メタノールとジメチルカーボネートの混合物を留去しながら、120℃でエステル交換反応をさらに1時間行なった。反応終了後(メタノールとジメチルカーボネートの留去終了後)、反応液を室温まで冷却し、ポリカーボネートポリオールプレポリマーを得た。得られたポリカーボネートポリオールプレポリマーは、数平均分子量が500であった。次に攪拌機、温度計、窒素導入管、コンデンサーを備えた1000mlのガラス製丸底フラスコに、得られたポリカーボネートポリオールプレポリマー25.0部、ポリカーボネートジオール(宇部興産株式会社製、商品名:「ETERNACOLL UH-200」、分子量2000、水酸基価56.1mgKOH/g)200部を加え、50mmHgの減圧下で攪拌し、反応温度125℃に到達後4時間125℃で反応を行なった。反応の途中でサンプリングを行ない、GPC測定よりエステル交換反応が平衡に至ったことを確認した。反応終了後、反応液を室温まで冷却し、酢酸エチルに溶解した。水を添加して攪拌したのち、水層を除去した。この操作をさらにもう1回行なって酢酸エチル溶液を得た。この酢酸エチル溶液に硫酸マグネシウムを添加して攪拌した後ろ過して硫酸マグネシウムを除去し、その後酢酸エチルを蒸留留去してポリカーボネートポリオール(a1−4)を得た。得られたポリカーボネートポリオール(a1−4)は、数平均分子量が1500、1分子中の平均水酸基数が4.2であった。
攪拌機および加熱器を備えた反応装置に、前記ポリカーボネートポリオール(a1−4)を43.5部、ジメチロールプロピオン酸を3.9部、MEKを25.3部、窒素を導入しながら仕込んだ。その後60℃に加熱しジメチロールプロピオン酸が溶解したのを確認した。水素添加MDIを28.6部、触媒としてジブチル錫ジラウリレートを0.02部加え80℃まで加熱し、4時間かけてウレタン化反応を行い、更にMEK109.8部を加え90℃にて3時間加熱し、プレポリマーを製造した(工程α)。ウレタン化反応終了時のNCO基含有量は、2.0wt%であった。反応混合物を30℃に冷却後、トリエチルアミン2.9部を添加・混合し中和した(工程β)。更に水136.8部を加えて分散した(工程γ)。ついで40wt%ヘキサメチレンジアミン水溶液14.8部を加え、室温で24時間にわたり鎖伸長反応を行った(工程δ)。生成物を減圧下に室温から50℃で3時間かけて加熱し、MEKを除去し水性ポリウレタン樹脂分散体4を得た。
(ポリカーボネートポリオール(a1−5)の調整)
精留塔、攪拌機、温度計、窒素導入管を備えたガラス製丸底フラスコに、ジメチルカーボネート84.0部、ペンタエリスリトール136.2部、炭酸カリウム0.1部を仕込み、常圧、攪拌下、メタノールとジメチルカーボネートの混合物を留去しながら、エステル交換反応を1時間行なった。この間、反応温度は85℃から110℃まで徐々に昇温させ、留出物の組成はメタノールとジメチルカーボネートの共沸組成ないしはその近傍となるように調節した。この後徐々に30mmHgまで減圧し、攪拌下、メタノールとジメチルカーボネートの混合物を留去しながら、120℃でエステル交換反応をさらに1時間行なった。反応終了後(メタノールとジメチルカーボネートの留去終了後)、反応液を室温まで冷却し、ポリカーボネートポリオールプレポリマーを得た。得られたポリカーボネートポリオールプレポリマーは、数平均分子量が500であった。次に攪拌機、温度計、窒素導入管、コンデンサーを備えた1000mlのガラス製丸底フラスコに、得られたポリカーボネートポリオールプレポリマー40.0部、ポリカーボネートジオール(宇部興産株式会社製、商品名:「ETERNACOLL UH-300」、1,6−ヘキサンジオールと炭酸エステルを原料とし数平均分子量3000、水酸基価37.4mgKOH/g)300部を加え、50mmHgの減圧下で攪拌し、反応温度125℃に到達後4時間125℃で反応を行なった。反応の途中でサンプリングを行ない、GPC測定よりエステル交換反応が平衡に至ったことを確認した。反応終了後、反応液を室温まで冷却し、酢酸エチルに溶解した。水を添加して攪拌したのち、水層を除去した。この操作をさらにもう1回行なって酢酸エチル溶液を得た。この酢酸エチル溶液に硫酸マグネシウムを添加して攪拌した後ろ過して硫酸マグネシウムを除去し、その後酢酸エチルを蒸留留去してポリカーボネートポリオール(a1−5)を得た。得られたポリカーボネートポリオール(a1−5)は、数平均分子量が1900、1分子中の平均水酸基数が4.9であった。
攪拌機および加熱器を備えた反応装置に、前記ポリカーボネートポリオール(a1−5)を55.1部、ジメチロールプロピオン酸を3.9部、MEKを29.2部、窒素を導入しながら仕込んだ。その後60℃に加熱しジメチロールプロピオン酸が溶解したのを確認した。水素添加MDIを28.6部、触媒としてジブチル錫ジラウリレートを0.02部加え80℃まで加熱し、4時間かけてウレタン化反応を行い、更にMEK126.5部を加え90℃にて3時間加熱し、プレポリマーを製造した(工程α)。ウレタン化反応終了時のNCO基含有量は、1.8wt%であった。反応混合物を30℃に冷却後、トリエチルアミン2.9部を添加・混合して中和した(工程β)。更に水204.4部と40wt%ヘキサメチレンジアミン水溶液14.8部とを同時に加えて、室温で24時間にわたり鎖伸長反応を行った(工程γ、工程δ)。生成物を減圧下に室温から50℃で3時間かけて加熱し、MEKを除去し水性ポリウレタン樹脂分散体5を得た。
(ポリカーボネートポリオール(a2)の調整)
実施例1の方法に従い、数平均分子量が1650、平均水酸基数2.8のポリカーボネートポリオール(a1−1)を合成した。攪拌機および加熱器を備えた反応装置に、ポリカーボネートポリオール(a1−1)165部、ジメチロールプロピオン酸13.4部を仕込み、160℃に加温した。テトラブチルチタネート0.05部仕込み180℃にて6時間反応させ、カルボン酸含有ポリカーボネートポリオールを得た。得られたポリカーボネートポリオール(a2)は、数平均分子量が890、1分子中の平均水酸基数が2.4であった。
攪拌機および加熱器を備えた反応装置に、前記ポリカーボネートポリオール(a2)を44.5部として、MEKを26.1部、窒素を導入しながら仕込んだ。水素添加MDIを23.0部、触媒としてジブチル錫ジラウリレートを0.02部加え80℃まで加熱し、4時間かけてウレタン化反応を行い、更にMEK117.0部を加え90℃にて3時間加熱し、プレポリマーを製造した(工程α)。ウレタン化反応終了時のNCO基含有量は、1.5wt%であった。反応混合物を30℃に冷却後、トリエチルアミン2.5部を添加・混合して中和した(工程β)。更に水157.6部を加えて分散させた(工程γ)。ついで40wt%ヘキサメチレンジアミン水溶液10.4部を加え鎖伸長反応を行った(工程δ)。生成物を減圧下に50℃で3時間かけて加熱し、MEKを除去し水性ポリウレタン樹脂分散体6を得た。
攪拌機および加熱器を備えた反応装置に、水酸基価56.1の「ETERNACOLL UH-200」(宇部興産社製、1,6−ヘキサンジオールとジメチルカーボネートとを原料とした数平均分子量2000のポリカーボネートジオール、平均水酸基数2)を59.1部、トリメチロールプロパンを1.0部、ジメチロールプロピオン酸を5.0部、MEKを41.0部、窒素を導入しながら仕込んだ。その後60℃に加熱しジメチロールプロピオン酸が溶解したのを確認した。水添MDIを30.5部、触媒としてジブチル錫ジラウリレートを0.04部加え80℃まで加熱し、4時間かけてウレタン化反応を行い、プレポリマーを製造した。ウレタン化反応終了時のNCO基含有量は、4.7wt%であった。反応混合物を30℃に冷却後、MEK53.9部を追加した後、トリエチルアミン3.5部を添加・混合して中和した。更に水203.2部を加えて分散させた。ついで40wt%ヘキサメチレンジアミン水溶液9.7部を加え鎖伸長反応を行った。生成物を減圧下に50℃で3時間かけて加熱し、MEKを除去しポリウレタン樹脂分散体を得た。
攪拌機および加熱器を備えた反応装置に、水酸基価56.1の「ETERNACOLL UH-200」(宇部興産社製、1,6−ヘキサンジオールとジメチルカーボネートとを原料とした数平均分子量2000のポリカーボネートジオール、平均水酸基数2)を51.6部、トリメチロールプロパンを1.6部、ジメチロールプロピオン酸を5.1部、MEKを38.7部、窒素を導入しながら仕込んだ。その後60℃に加熱しジメチロールプロピオン酸が溶解したのを確認した。水添MDIを31.8部、触媒としてジブチル錫ジラウリレートを0.04部加え80℃まで加熱し、4時間かけてウレタン化反応を行い、プレポリマーを製造した。ウレタン化反応終了時のNCO基含有量は、5.0wt%であった。反応混合物を30℃に冷却後、MEK49.0部を追加した後、トリエチルアミン3.7部を添加・混合して中和した。更に水194.8部を加えて分散させた。ついで40wt%ヘキサメチレンジアミン水溶液9.6部を加え鎖伸長反応を行った。生成物を減圧下に50℃で3時間かけて加熱し、MEKを除去しポリウレタン樹脂分散体を得た。
(製膜性の評価)
上述の各ポリウレタン樹脂分散体をガラス板上に約0.4mmの厚さに均一に塗布した。次いで、120℃にて3時間乾燥し、製膜性を目視で評価した。評価の基準は、○:得られた膜に割れは全く見られなかった、△:得られた膜に少し割れがあった、×:得られた膜の全体に割れがあった、である。
上述の各ポリウレタン樹脂分散体をガラス板上に約0.4mmの厚さに均一に塗布した。次いで、120℃にて3時間乾燥した後、ガラス板より剥離して以下の評価に供した。
JIS K 7113に準じた方法で上記ポリウレタンフィルムの弾性率を測定した。
製膜性及びフィルムの弾性率を表1に示す。
(ポリカーボネートポリオール(a1−7)の調製)
ポリカーボネートポリオール(a1−7)としてのトリメチロールプロパン含有ポリカーボネートポリオール(数平均分子量900、平均水酸基数2.7)を以下のようにして調製した。
攪拌機および加熱器を備えた反応装置に、水酸基価56.1の「ETERNACOLL UH-200」(宇部興産社製、1,6−ヘキサンジオールと炭酸エステルとを原料とした数平均分子量2000のポリカーボネートジオール、平均水酸基数2)を15.0重量部、上記のポリカーボネートポリオール(a1−7)を3.8重量部、ジメチロールプロピオン酸(日本化成社製)を1.5重量部、メチルエチルケトン(以下「MEK」と略すこともある)を13.0重量部、窒素を導入しながら仕込んだ。その後60℃に加熱しジメチロールプロピオン酸が溶解したのを確認した。4,4’−ジシクロヘキシルメタンジイソシアネート(以下「水素添加MDI」と略すこともある)を9.7重量部、触媒としてジブチル錫ジラウリレートを0.01重量部加え80℃まで加熱し、4時間かけてウレタン化反応を行い、プレポリマーを製造した(工程α)。ウレタン化反応終了時のNCO基含有量は、5.0wt%であった。反応混合物を30℃に冷却後、MEK15.8部を追加した後、トリエチルアミン1.0部を添加・混合して中和した(工程β)。更に水61.5部を加えて分散させた(工程γ)。ついで40wt%ヘキサメチレンジアミン水溶液2.8部を加え、20℃で60時間にわたり鎖伸長反応を行った(工程δ)。生成物を減圧下に20℃から50℃で3時間かけて加熱し、MEKを除去しポリウレタン樹脂分散体を得た。
攪拌機および加熱器を備えた反応装置に、水酸基価56.1の「ETERNACOLL UH-200」(宇部興産社製、1,6−ヘキサンジオールと炭酸エステルとを原料とした数平均分子量2000のポリカーボネートジオール、平均水酸基数2)を19.8重量部、実施例1で用いたポリカーボネートポリオール(a1−7)を10.1重量部、ジメチロールプロピオン酸を2.7重量部、MEKを21.4重量部、窒素を導入しながら仕込んだ。その後60℃に加熱しジメチロールプロピオン酸が溶解したのを確認した。水素添加MDIを17.5重量部、触媒としてジブチル錫ジラウリレートを0.02重量部加え80℃まで加熱し、4時間かけてウレタン化反応を行い、プレポリマーを製造した(工程α)。ウレタン化反応終了時のNCO基含有量は、5.4wt%であった。反応混合物を30℃に冷却後、MEK25.5重量部を追加した後、トリエチルアミン1.9重量部を添加・混合して中和した(工程β)。更に水100.5重量部を加えて分散させた(工程γ)。ついで40wt%ヘキサメチレンジアミン水溶液5.6部を加え、20℃で48時間にわたり鎖伸長反応を行った(工程δ)。生成物を減圧下に20℃から50℃で3時間かけて加熱し、MEKを除去しポリウレタン樹脂分散体を得た。
(ポリカーボネートポリオール(a1−9)の調製)
ポリカーボネートポリオール(a1−9)としてのトリメチロールプロパン含有ポリカーボネートポリオール(数平均分子量1650、平均水酸基数2.8)を以下のようにして調製した。
攪拌機および加熱器を備えた反応装置に、水酸基価56.1の「ETERNACOLL UH-200」(宇部興産社製、1,6−ヘキサンジオールと炭酸エステルとを原料とした数平均分子量2000のポリカーボネートジオール、平均水酸基数2)を35.7重量部、ポリカーボネートポリオール(a1−9)を21.5重量部、ジメチロールプロピオン酸を4.8重量部、MEKを40.2重量部、窒素を導入しながら仕込んだ。その後60℃に加熱しジメチロールプロピオン酸が溶解したのを確認した。水素添加MDIを31.5重量部、触媒としてジブチル錫ジラウリレートを0.04重量部加え80℃まで加熱し、4時間かけてウレタン化反応を行い、プレポリマーを製造した(工程α)。ウレタン化反応終了時のNCO基含有量は、6.7wt%であった。反応混合物を30℃に冷却後、MEK56.4重量部を追加した後、トリエチルアミン3.4重量部を添加・混合して中和した(工程β)。更に水198.9重量部を加えて分散させた(工程γ)。ついで40wt%ヘキサメチレンジアミン水溶液9.3重量部を加え、20℃で48時間にわたり鎖伸長反応を行った(工程δ)。生成物を減圧下に50℃で3時間かけて加熱し、MEKを除去しポリウレタン樹脂分散体を得た。
攪拌機および加熱器を備えた反応装置に、水酸基価56.1の「ETERNACOLL UH-200」(宇部興産社製、1,6−ヘキサンジオールとジメチルカーボネートとを原料とした数平均分子量2000のポリカーボネートジオール、平均水酸基数2)を67.0部、実施例1で用いたポリカーボネートポリオール(a1−7)を4.0部、ジメチロールプロピオン酸を5.0部、MEKを37.0部、窒素を導入しながら仕込んだ。その後60℃に加熱しジメチロールプロピオン酸が溶解したのを確認した。水素添加MDIを30.0部、触媒としてジブチル錫ジラウリレートを0.04部加え80℃まで加熱し、4時間かけてウレタン化反応を行い、プレポリマーを製造した(工程α)。ウレタン化反応終了時のNCO基含有量は、4.6wt%であった。反応混合物を30℃に冷却後、MEK63.4部を追加した後、トリエチルアミン3.5部を添加・混合して中和した(工程β)。更に水221.6部を加えて分散させた(工程γ)。ついで40wt%ヘキサメチレンジアミン水溶液7.7部を加え、20℃で48時間にわたり鎖伸長反応を行った(工程δ)。生成物を減圧下に20℃から50℃で3時間かけて加熱し、MEKを除去しポリウレタン樹脂分散体を得た。
製膜性の評価を試験例1と同様に行なった。結果を表2に示す。
(塗料組成物の製造)
ジメチルエタノールアミンでカルボン酸/アミンのモル比1.0で中和された水分散性ポリエステルポリオール(ニュープレックス社製「SETAL6306」、樹脂分濃度60質量%、水酸基価89mgKOH/樹脂g、酸価42mgKOH/樹脂g)を280g、ルチル型二酸化チタン600g、硫酸バリウム15g、イオン交換水280gをペイントシェーカーで30分間分散させて顔料分散ペーストを調製した。
Claims (10)
- ウレタン結合を有しないポリカーボネートポリオール(a1)と、酸性基含有ポリオール化合物(b)と、ポリイソシアネート(c)と、場合によりポリカーボネートジオール(a’)とからなる原料を反応させて得られるポリウレタンプレポリマー(A)と、
前記ポリウレタンプレポリマー(A)のイソシアネート基と反応性を有する鎖延長剤(B)とを反応させて得られる水性ポリウレタン樹脂が、水系媒体中に分散されている水性ポリウレタン樹脂分散体であって、
前記ポリカーボネートポリオール(a1)は、数平均分子量が400〜5000であり、1分子中に、平均2.05〜5個の水酸基を有し、
前記ポリカーボネートポリオール(a1)のモル数に対する前記ポリカーボネートジオール(a’)のモル数の割合は、0.8以下であることを特徴とする水性ポリウレタン樹脂分散体。 - ポリカーボネートポリオール(a1)が、ジオール化合物と、トリオール化合物、テトラオール化合物及びペンタオール化合物から選択した1種以上のポリオール化合物と、炭酸エステル化合物とを反応させて得られたものである、請求項1に記載の水性ポリウレタン樹脂分散体。
- ポリカーボネートポリオール(a1)が、ポリカーボネートジオールと、トリオール化合物、テトラオール化合物及びペンタオール化合物から選択した1種以上のポリオール化合物とをエステル交換反応させて得られたものである、請求項1に記載の水性ポリウレタン樹脂分散体。
- ウレタン結合を有さないポリカーボネートポリオール(a2)と、ポリイソシアネート(c)とからなる原料を反応させて得られるポリウレタンプレポリマー(A)と、
前記ポリウレタンプレポリマー(A)のイソシアネート基と反応性を有する鎖延長剤(B)とを反応させて得られる水性ポリウレタン樹脂が、水系媒体中に分散されている水性ポリウレタン樹脂分散体であって、
前記ポリカーボネートポリオール(a2)は、数平均分子量が600〜5000であり、1分子中に、平均2.05〜5個の水酸基を有し、かつ、酸性基を有することを特徴とする水性ポリウレタン樹脂分散体。 - ポリカーボネートポリオール(a2)が、ポリカーボネートジオールと酸性基含有ポリオール化合物(b)とを反応させて得られた酸性基含有ポリカーボネートジオールと、トリオール化合物、テトラオール化合物及びペンタオール化合物から選択した1種以上のポリオール化合物とをエステル交換反応させて得られたものである、請求項4に記載の水性ポリウレタン樹脂分散体。
- ウレタン結合を有しないポリカーボネートポリオール(a1)と、酸性基含有ポリオール化合物(b)と、ポリイソシアネート(c)と、場合によりポリカーボネートジオール(a’)とからなる原料を反応させてポリウレタンプレポリマー(A)を得る工程(α1)と、
前記ポリウレタンプレポリマー(A)の酸性基を中和する工程(β)と、
前記ポリウレタンプレポリマー(A)を水系媒体中に分散させる工程(γ)と、
前記ポリウレタンプレポリマー(A)と、前記ポリウレタンプレポリマー(A)のイソシアネート基と反応性を有する鎖延長剤(B)とを反応させて水性ポリウレタン樹脂を得る工程(δ)とを含む水性ポリウレタン樹脂分散体の製造方法であって、
前記ポリカーボネートポリオール(a1)は、数平均分子量が400〜5000であり、1分子中に、平均2.05〜5個の水酸基を有し、
前記ポリカーボネートポリオール(a1)のモル数に対する前記ポリカーボネートジオール(a’)のモル数の割合は、0.8以下であることを特徴とする水性ポリウレタン樹脂分散体の製造方法。 - ウレタン結合を有しないポリカーボネートポリオール(a2)と、ポリイソシアネート(c)とからなる原料を反応させてポリウレタンプレポリマー(A)を得る工程(α2)と、
前記ポリウレタンプレポリマー(A)の酸性基を中和する工程(β)と、
前記ポリウレタンプレポリマー(A)を水系媒体中に分散させる工程(γ)と、
前記ポリウレタンプレポリマー(A)と、前記ポリウレタンプレポリマー(A)のイソシアネート基と反応性を有する鎖延長剤(B)とを反応させて水性ポリウレタン樹脂を得る工程(δ)とを含む水性ポリウレタン樹脂分散体の製造方法であって、
前記ポリカーボネートポリオール(a2)は、数平均分子量が600〜5000であり、1分子中に、平均2.05〜5個の水酸基を有し、かつ、酸性基を有することを特徴とする水性ポリウレタン樹脂分散体の製造方法。 - 工程(β)と工程(γ)とを同時に行う、請求項6又は7に記載の水性ポリウレタン樹脂分散体の製造方法。
- 工程(γ)と工程(δ)とを同時に行う、請求項6又は7に記載の水性ポリウレタン樹脂分散体の製造方法。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載の水性ポリウレタン樹脂分散体を含有する塗料組成物。
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